As fontes de alimentação comutadas (também chamadas de SMPS, do inglês "switched-mode power supply") são usadas em quase todos os dispositivos elétricos e eletrônicos e são usadas para converter eficientemente a energia elétrica de uma voltagem para outra.
No artigo de hoje, vamos ver o que são fontes de alimentação chaveadas. Veremos também como funcionam e quais são suas vantagens e desvantagens em comparação com uma fonte de alimentação tradicional.
O que são fontes de alimentação de modo de comutação (SMPS)?
Em duas palavras? Uma fonte de alimentação chaveada é uma fonte de alimentação eletrônica que pode converter efetivamente energia elétrica de uma tensão para outra. Normalmente, é usado para transferir corrente de uma fonte CC/CA para uma carga CC (por exemplo, computador, telefone celular, etc.). A maioria das fontes de alimentação chaveadas converte uma tensão mais alta (110 V ou 220 V CA) em uma tensão CC muito mais baixa, como 24 V, 12 V ou 5 V.
Podemos encontrar este tipo de fonte de alimentação em quase todos os aparelhos elétricos que estamos habituados a utilizar no dia a dia. Principalmente os compactos. Não estamos brincando: eles estão realmente em todo lugar! Por exemplo, SMPSs são encontrados em carregadores de celulares, computadores, etc. Eles também são fáceis de encontrar: você pode encontrá-los tanto em lojas de eletrônicos quanto online em sites especializados como RS.
A história da troca de fontes de alimentação
A invenção das fontes de alimentação comutadas remonta a 1836. Há evidências de que algumas bobinas indutivas foram usadas para gerar picos de alta tensão em condições de laboratório. Depois de quase um século, em 1959, nos Laboratórios Bell, Kahng e Atalla inventaram o MOSFET de potência que é a base das fontes de alimentação modernas.
Existem documentos de patente arquivados pela IBM em 1958 mostrando o projeto de um SMPS baseado na oscilação do transistor. Por volta do mesmo ano, a General Motors Corporation (GM) também entrou com pedido de patentes semelhantes.
O primeiro produto comercial e amplamente conhecido com uma fonte de alimentação chaveada? Esta é a calculadora de bolso HP-35 da Hewlett Packard. Desde então, fontes chaveadas têm sido usadas para alimentar LEDs, ROMs e outros elementos primários, como relógios. Embora desenvolvida por muitos grandes fornecedores, em 1976 a Microchip Technology solicitou uma patente para o uso do termo “fonte de alimentação comutada (SMPS)” e, de fato, investiu muito dinheiro nisso.
Hoje é utilizado em diversos aparelhos nos mais diversos setores, desde mecânica de última geração para robótica.
Como eles funcionam
Cada um desses dispositivos consiste em um circuito complexo que opera em uma frequência muito alta (20 kHz a 10 MHz). A comutação de alta velocidade permite a comutação de fontes de alimentação para converter eletricidade de forma mais eficiente do que as fontes de alimentação lineares tradicionais.
O circuito de fonte de alimentação SMPS contém vários subcircuitos. Precisamente eles permitem que você converta de forma eficaz a corrente de uma voltagem para outra. Vamos ver como isso acontece.
Durante a fase de entrada, a corrente de alimentação CA passa por um retificador que fornece uma saída CC filtrada com a mesma tensão. Por exemplo, no estágio de entrada, 110 Vca é convertido em 110 Vcc. Filtros LC adicionais (indutor e capacitor) também são encontrados neste nível para eliminar ainda mais quaisquer ondulações.
A próxima etapa também é a mais importante. Normalmente, as fontes de alimentação de comutação contêm um ou mais MOSFETs de potência que são usados como o dispositivo de comutação principal. O sinal PWM liga e desliga o MOSFET rapidamente, atuando como um interruptor. Isso converte a tensão DC (resultado da etapa anterior) em uma onda quadrada de alta frequência.
Isso nos leva à fase de saída
Também na saída do transformador de potência temos um sinal oscilante que é posteriormente filtrado. Também no estádio encontramos filtros semelhantes aos que vimos na entrada, mas capazes de lidar com mais corrente em tensões mais baixas. Este é o último estágio do circuito que transfere energia para a carga conectada.
Finalmente, o dispositivo de comutação (transistor ou MOSFET). Ele deve ligar e desligar rapidamente para gerar a onda quadrada necessária para alimentar o transformador de corrente usando o sinal PWM. O ciclo de trabalho é a relação entre o tempo de ativação e o tempo total do ciclo. A tensão de saída SMPS pode ser controlada aumentando ou diminuindo o ciclo de trabalho do sinal PWM fornecido ao transistor.
